Doładowanie silników

Pracą silnika rządzą prawa fizyki. Przy właściwej regulacji jego osiągi zależą prawie wyłącznie od ilości powietrza zassanego do cylindrów. Silnik o dużej pojemności zassie więcej powietrza i stąd w procesie spalania jest w stanie wygenerować większą moc. Jednak większa pojemność to prawie same problemy (wyższe spalanie, droższa produkcja, wyższa masa). Dlatego już ponad 100 lat temu opracowano rozwiązanie pozwalające podwyższać ilość powietrza zasysanego do cylindrów. Doładowanie w rzeczywistości spełnia kryterium dodatkowej pojemności na życzenie.

Pierwsze, ale nie lepsze

Chronologicznie pierwsze były układy mechanicznego doładowania silników, w których sprężarka połączona jest poprzez przekładnię z wałem korbowym silnika. Układy, w których pasek klinowy przenosi napęd na sprężarkę, są dziś chętnie stosowane przez takich producentów jak m.in. Audi-VW, Mercedes czy Jaguar.

Niepodważalną zaletą jest natychmiastowa reakcja na ruch pedałem gazu: nawet przy najmniejszym wzroście obrotów silnika, zwiększa się też tłoczenie powietrza przez sprężarkę mechaniczną.

Kompresory mechaniczne mają jednak zasadniczą wadę: napęd pobierają z wału korbowego silnika, generując tym samym pewne straty. Ponieważ obroty kompresora zależą tylko od obrotów silnika, to nawet podczas jazdy z minimalnie wciśniętym pedałem gazu, gdy zapotrzebowanie na moc jest małe, sprężarka stara się tłoczyć tyle samo powietrza, co przy wciśniętym do oporu pedale gazu, podwyższając opory. Jeżeli walczymy o niskie zużycie paliwa, to nie jest to optymalne.

Turbo to wydajność

Znacznie ciekawszym rozwiązaniem jest turbodoładowanie, czyli doładowanie silnika przy wykorzystaniu jego własnych gazów wydechowych. Spaliny opuszczające cylindry mają ogromną energię i poruszają się z szybkością bliską prędkości dźwięku. W wolnossącym silniku energia ta jest wytracana, natomiast w turbodoładowanym wykorzystuje się ją do napędzania wirnika turbosprężarki.

Ogromną zaletą jest fakt, że korzysta się z energii odzyskanej ze spalin, a więc dostępnej niejako "za darmo". To podnosi ogólną sprawność silnika. Turbosprężarka jest urządzeniem "inteligentnym": przy tych samych obrotach jeżeli lekko wciskamy pedał gazu - kręci się znacznie wolniej niż gdybyśmy wciskali pedał gazu do oporu. To powoduje, że wydatek urządzenia w pewnym zakresie samoczynnie dopasowuje się do zapotrzebowania.

Turbosprężarki mogą występować w różnych konfiguracjach i mieć różne systemy sterowania. Sterowanie potrzebne jest po to, aby nie dopuścić do przekroczenia maksymalnego ciśnienia doładowania. Żadne turbo nie pracuje bowiem w silniku na 100% swoich możliwości.

Zmienna geometria

Klasyczna turbosprężarka, stosowana w wielu silnikach benzynowych i słabszych turbodieslach, ma w swoim korpusie tzw. zawór upustowy. To specjalna klapka, która w razie wzrostu ciśnienia doładowania do maksymalnej wartości otwiera się i wypuszcza spaliny do wydechu z pominięciem turbiny.

We wszystkich mocniejszych turbodieslach stosowane są turbosprężarki o tzw. zmiennej geometrii (VNT). Tu klapkowy zawór upustowy ustąpił miejsca specjalnemu układowi łopatek znajdujących się w korpusie, wokół wirnika turbiny. Łopatki te mają możliwość zmiany swojego kąta ustawienia, co nie tylko spełnia zadanie zaworu upustowego przy maksymalnych ciśnieniach doładowania, ale też pozwala na przyspieszenie ruchu spalin przy małych obrotach silnika. Ta druga cecha pozwala
stosować w silniku większą turbosprężarkę (większa moc)
przy jednoczesnym zmniejszeniu zjawiska tzw. turbodziury.

Turbodziura

Turbosprężarka napędzana spalinami wykazuje pewną bezwładność. Oznacza to, że mija pewien czas pomiędzy dodaniem gazu, a reakcją turbiny powodującą wzrost ciśnienia doładowania. Im obroty silnika są niższe, tym to opóźnienie jest większe. Przy obrotach biegu jałowego turbosprężarka obraca się tak powoli, że praktycznie nie wytwarza żadnego ciśnienia. Opóźnienie reakcji silnika na naciśnięcie pedału gazu wielu kierowców nazywa turbodziurą. Część wręcz twierdzi, iż wyraźnie wyczuwa moment, w którym turbo się włącza. W praktyce jednak wirnik turbosprężarki zawsze się kręci. To, co odczuwamy to po prostu chwila, w której turbo zaczyna wytwarzać efektywne ciśnienie.

Żeby reagował szybciej

Konstruktorzy stosują wiele rozwiązań, które mają spowodować, że turbo zacznie efektywnie pracować już od niskich obrotów i będzie wykazywało małą zwłokę na nagłe wciśnięcie pedału gazu. Wspomniana już zmienna geometria to typowe rozwiązanie w silnikach Diesla. W jednostkach benzynowych spaliny są na tyle gorące, że VNT stosowane jest rzadko (np. Porsche 911 Turbo). W niektórych 4-cylindrowych silnikach benzynowych korzysta się z turbosprężarek typu "twin scroll". Oznacza to, że aż do wirnika turbosprężarki spaliny z 1. i 4. oraz 2. i 3. cylindra są prowadzone osobnymi kanałami. Z jednej strony kolejno występujące suwy wydechu nie przeszkadzają sobie nawzajem, a z drugiej strony sam wirnik turbiny napędzany jest tzw. systemem pulsacyjnym, co pozwala mu nieco szybciej reagować na ruchy pedału gazu.

Droższym, ale i bardziej efektywnym rozwiązaniem, jest zastosowanie dwóch mniejszych turbosprężarek zamiast jednej (dają podobną moc, ale reagują szybciej). Jednak prawdziwym majstersztykiem jest tak zwane doładowanie sekwencyjne. Tu dwie turbiny obsługują te same cylindry i różnią się wielkością i zakresami pracy. Mała turbosprężarka doskonale reaguje już przy niskich obrotach silnika, natomiast duża zapewnia wysoką moc przy wyższych obrotach silnika.

Turbodoładowanie

Turbosprężarka czerpie energię ze spalin, które poruszają się z prędkością bliską prędkości dźwięku. Przy odzyskaniu energii spalin do napędzania sprężarki podnoszona jest jednocześnie sprawność silnika (mniejsze zużycie paliwa przy tej samej mocy). Stąd turbodoładowanie jest tak chętnie wykorzystywane w najnowszych silnikach, gdzie stawia się na obniżenie zużycia paliwa.

Turbosprężarka czerpie napęd ze spalin i jest zwykle montowana na kolektorze wydechowym. Kluczowym elementem jest wirnik turbiny, który rozpędza się pod wpływem ruchu spalin. Na drugim końcu wałka turbiny umieszczony jest wirnik sprężarki, który zasysa powietrze z wlotu i kieruje już pod ciśnieniem poprzez króciec w stronę silnika. W silnikach benzynowych i słabszych dieslach ciśnienie doładowania regulowane jest zaworem upustowym.

Kompresor

Kompresor to inaczej sprężarka mechaniczna (często spotkamy też angielską nazwę "supercharger"). Istnieje wiele typów sprężarek mechanicznych, zupełnie do siebie niepodobnych. Najpopularniejsze to śrubowe (systemy Roots lub Lysholm), ale są też spiralne (system "G" w starszych VW) oraz odśrodkowe, wyglądające jak pół turbosprężarki.

W odróżnieniu od turbo, kompresor jest napędzany od silnika, zwykle paskiem klinowym. Na wałku kompresora jest koło pasowe napędu oraz śrubowy wirnik sprężarki. Z tym wirnikiem współpracuje drugi, który bezluzowo się z nim zazębia. Śruby obracające się w przeciwnych kierunkach sprężają powietrze i kierują do silnika. W wykonaniu pokazanym na rysunku w kompresorze jest jeszcze intercooler, czyli chłodnica powietrza doładowującego.

Przy niskich obrotach silnika łopatki kierownicy turbosprężarki są ustawiane stycznie do wirnika turbiny (rys. 1). To powoduje przyspieszenie ruchu wirowego spalin i tym samym polepszenie reakcji silnika na naciśnięcie pedału gazu. Przy wysokich obrotach łopatki kierownicy ustawiane są promieniowo (rys. 2), co spowalnia ruch spalin i pozwala tym samym ograniczyć maksymalne ciśnienie doładowania.

Im powietrze w silniku jest zimniejsze, tym zawiera więcej tlenu, a więc i osiągi silnika są lepsze. Tymczasem po opuszczeniu sprężarki powietrze może osiągać nawet ponad 150°C. Aby je schłodzić stosowane są tzw. intercoolery, czyli chłodnice powietrza doładowującego. W większości aut są to intercoolery powietrzne, ale czasami stosowane są też wymienniki ciepła typu powietrze-woda.

Bi-turbo

Turbo sekwencyjne

Turbo + kompresor

1973

1979

1980

1988

1991

1996

2005

2006

2007

2010

Marcin Klonowski

Oszczędność silnika TSI - TECHNIKA
Czy silniki 1.4 TSI są awaryjne? - SILNIK